Grafeno una sola capa de átomos de carbono, es un material de electrodo atractivo para aplicaciones de supercondensadores debido a su gran área de superficie. Sin embargo, La forma en que los electrolitos interactúan con el material de carbono para almacenar energía aún no se comprende bien. Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y la Universidad de Princeton investigaron cómo la química de la superficie del grafeno afecta el mecanismo de almacenamiento de carga. Descubrieron que los defectos en la superficie del grafeno alteran la interacción del líquido con la superficie. Los cationes del líquido iónico, es decir., iones positivos, agregado cerca de un defecto, y los aniones o iones negativos son repelidos por ella, alterando la disposición molecular del líquido iónico en la superficie.

"Identificar cómo las especies iónicas cargadas se unen a la superficie del electrodo es muy importante para aumentar la capacidad de almacenamiento y mejorar la cinética de carga y descarga de los dispositivos de almacenamiento de energía, "dijo el Dr. M. Vijayakumar, quien dirigió la investigación.

Los supercondensadores tradicionales están hechos de carbono de gran superficie. Sin embargo, El grafeno tiene potencialmente la mayor superficie entre los materiales de carbono y, por lo tanto, podría aumentar significativamente la capacidad específica. Sin embargo, Es difícil comprender y controlar cómo se incorporan y transportan las especies iónicas cargadas en los electrodos de grafeno. La investigación del equipo proporciona información fundamental sobre las estructuras moleculares construidas cuando el grafeno tiene grupos funcionales o defectos que interactúan con el electrolito. El estudio proporciona a los científicos un conocimiento básico para crear mejores materiales para el almacenamiento de energía.

"El problema es que la mayoría de los estudios se basan en la suposición de que se usa grafeno sin defectos, que no es realista y distorsiona la interpretación de los resultados de la investigación, "dijo la Dra. Birgit Schwenzer, un científico de materiales que trabajó en el estudio. "Queríamos saber qué influencia tendrían los defectos en las interacciones del grafeno con los electrolitos".

Los investigadores mezclaron grafeno exfoliado con el líquido iónico. A diferencia de otros electrolitos, el líquido iónico contiene iones orgánicos voluminosos cargados positiva y negativamente. En este caso, el catión era 1-butil-3-metil-imidazolio (BMIM +), y el anión era trifluorometanosulfonato (TfO-). Se formó una fina capa de líquido iónico alrededor de las escamas de grafeno. El equipo analizó la capa delgada utilizando un espectrómetro de resonancia magnética nuclear giratoria de ángulo mágico de campo magnético de 11,7 Tesla, Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X en EMSL y espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier en el Laboratorio de Ciencias Físicas de PNNL.

Correlacionaron los espectros con modelos computacionales de la interacción entre una molécula de líquido iónico y el grafeno con un solo defecto o grupo funcional, como un grupo hidroxilo, que es un átomo de oxígeno y un átomo de hidrógeno, unido a la superficie. Los modelos se construyeron utilizando la teoría funcional de la densidad con métodos empíricos basados ​​en la corrección de la dispersión.

"Nos gustaría enfatizar que el modelo considera solo un grupo hidroxilo, ", dijo Vijayakumar." Se están realizando estudios teóricos más detallados con más grupos funcionales, lo que nos dará una comprensión más profunda de la región interfacial ".

El equipo descubrió que los grupos funcionales en la superficie cambian la disposición molecular de los cationes y aniones del líquido. Por ejemplo, es más probable que los cationes se absorban cerca de los grupos funcionales que contienen oxígeno, debido a la atracción relativamente mayor del catión cargado positivamente del líquido iónico al oxígeno cargado negativamente en el grupo hidroxilo. Más lejos, los defectos cargados negativamente repelen los aniones TfO-. Tanto los cationes como los aniones exhiben una variedad de orientaciones moleculares cerca de los grupos funcionales en la superficie del grafeno, muy diferente a su perfecta disposición sobre material libre de defectos.

Este estudio es una prueba de principio, mostrando cómo se puede estudiar el grafeno con defectos y las interacciones de líquidos iónicos. Ahora, están buscando extender su investigación a diferentes modelos moleculares capaces de manejar más defectos en la superficie del grafeno y otras complejidades.